Rozšíření badmintonového stroje

Bakalářská práce

České vysoké učení technické v Praze

F3

Fakulta elektrotechnická Katedra řídicí techniky

Rozšíření badmintonového stroje Petr Kohout Program: Kybernetika a robotika Obor: Systémy a řízení

květen 2015 Vedoucí práce: Ing. Pavel Burget, Ph.D.

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická katedra řídicí techniky

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student: Petr Kohout Studijní program: Kybernetika a robotika Obor: Systémy a řízení Název tématu: Rozšíření badmintonového stroje

Pokyny pro vypracování: 1. Rozšiřte stávající badmintonový stroj o další dvě osy pro změnu elevace a azimutu. 2. Implementujte tréninkové plány s maximálním využitím možností stroje. Navrhněte a realizujte uživatelské rozhraní a dbejte na jeho snadnou a intuitivní použitelnost. 3. Proveďte měření přesnosti úderů v různých situacích. 4. Na základě zkušeností z testování detailně analyzujte průběh točivého momentu na jednotlivých osách. 5. Spolupracujte na vytvoření nové mechanické konstrukce stroje, který bude mít nižší hmotnost a bude snadněji přenostitelný. 6. Navrhněte pohony a řídicí jednotku přímo na míru pro novou konstrukci.

Seznam odborné literatury: [1] Chan, C. M., Rossmann, J. S. Badminton shuttlecock aerodynamics: synthesizing experiment and theory. Sports Eng (2012) 15:61–71. DOI 10.1007/s12283-012-0086-7 [2] Programming manual for CPU 1486. B&R Automation. [3] Motion control with B&R products. B&R Automation.

Vedoucí: Ing. Pavel Burget, Ph.D. Platnost zadání: do konce letního semestru 2015/2016

L.S. Prof. Ing. Michael Šebek, DrSc. vedoucí katedry

prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. děkan V Praze dne 20. 2. 2015

Poděkování / Prohlášení Chtěl bych poděkovat vedoucímu práce Ing. Pavlu Burgetovi, Ph.D. za cenné rady a pomoc při řešení problémů. Dále bych rád poděkoval Ing. Milanovi Bartošovi, CSc. za výrobu konstrukce stroje a konzultace k mechanice. V neposlední řadě také děkuji Mgr. Michalovi Turoňovi za možnost testovat stroj na kurtu a za konzultace při tvorbě tréninkových programů. Dále děkuji firmě B&R za zapůjčení PLC X20CP3586 a powerlinkové karty V1. Velké poděkování patří také rodině a přátelům za podporu během celého studia vysoké školy.

Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací. V Praze dne 22. 5. 2015

v

Abstrakt / Abstract Tato práce se zabývá rozšířením stávajícího badmintonového stroje o možnost změny elevace a azimutu. Dále se zabývá problematikou automatických tréninkových programů, jejich implementací do stroje, uživatelským rozhraním a testováním. V další části je rozebrán točivý moment na jednotlivých osách a z těchto poznatků jsou odvozeny požadavky na motory právě navrhovaného prototypu. Nakonec jsou shrnuty požadavky na novou konstrukci a navrhnuta řídicí a výkonová jednotka pro řízení nového stroje. Klíčová slova: Bakalářská práce, badminton, trénink, nadhazování míčků, točivý moment, PLC

This thesis deals with enhancement of the current badminton machine on possibility to change elevation and azimuth. It also deals with the issue of automated training programs and their implementation into the machine, user interface and testing. In the next section is analized torque on each axis and from these knowledge are derived requirements for engines to new prototype. Finally there are summarizes requirements for the new construction and suggested control and power unit for control new machine. Keywords: Bachelor thesis, badminton, shuttlecock shooting, training, torque, PLC Title translation: Enhancement of the badminton machine

vi

Obsah / 1 Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 2 Původní stav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2.1 Popis konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2.2 Řízení. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 3 Konkurenční řešení . . . . . . . . . . . . . . . . .4 3.1 Knight Trainer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 3.2 Apollo Badminton Trainer . . . . . .5 3.3 Siboasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 3.4 Porovnání konkurence . . . . . . . . . . .7 4 Prototyp 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 4.1 Popis konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . .8 4.1.1 Ladění podavače . . . . . . . . . . .8 4.2 Elektrické zapojení . . . . . . . . . . . . . . .9 4.3 Dynamické parametry . . . . . . . . . 10 4.3.1 Parametry PID regulátorů polohy . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.3.2 Elevace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.3.3 Azimut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4.3.4 Kotouče . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.3.5 Podavač . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4.4 Měření přesnosti úderů . . . . . . . . 13 4.4.1 Statické měření střelby rovně před sebe . . . . . . . . . . 14 4.4.2 Měření závislosti doletu na otáčkách kotoučů . . 14 4.4.3 Dynamické měření přesnosti při střídání stran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.4.4 Dynamické měření přesnosti při střídání vzdálenosti . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.4.5 Závěr měření . . . . . . . . . . . . . 15 5 Algoritmus řízení . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5.1 Struktura programu . . . . . . . . . . . 17 5.2 Výpočet doletu . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 6 Uživatelské rozhraní. . . . . . . . . . . . . . 20 6.1 Volba a nastavení tréninkového programu . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 6.2 Chod tréninkového programu . 21 6.3 Manuální režim a servisní obrazovka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 7 Analýza točivého momentu . . . . . 24 7.1 Kotouče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 7.2 Elevace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 7.3 Azimut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 8 Tréninkové programy . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Zadní část . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Střední část . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Na síť . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Celý kurt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Na raketu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Příjem servisu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Prototyp 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Návrh konstrukce . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Kotouče . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2 Podavač . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.3 Nastavení směru . . . . . . . . . 9.2 Návrh pohonů . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Návrh řídicího systému . . . . . . . . 9.3.1 Výkonová jednotka. . . . . . . 9.3.2 Výpočetní jednotka . . . . . . 9.3.3 Ovládání a uživatelské rozhraní . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Závěr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Seznam zkratek . . . . . . . . . . . . . . . . . . B Obsah přiloženého CD . . . . . . . . . . . C Program pro otestování výkonové jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

27 27 28 29 29 29 30 30 30 30 31 31 31 31 33 34 37 38 39 40 41

Tabulky / Obrázky 3.1. Porovnání konkurence. . . . . . . . . . . .7 4.1. Naměřené hodnoty při střelbě rovně před sebe do vzdálenosti 4 m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.2. Naměřené hodnoty při střelbě rovně před sebe do vzdálenosti 9,4 m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3. Měření doletu v závislosti na otáčkách kotoučů. . . . . . . . . . . . . . . 14 4.4. Naměřené hodnoty při střídání stran. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4.5. Naměřené hodnoty při střídání vzdálenosti. . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.1. 2.1. 2.2. 3.1. 3.2. 3.3. 4.1. 4.2. 4.4. 4.3. 4.5. 4.6. 4.7.

4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 5.1. 5.2. 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 8.1. 8.2. 8.3.

viii

Badmintonový kurt.. . . . . . . . . . . . . .1 3D model prvního prototypu. . . .2 3D model podavače.. . . . . . . . . . . . . .3 Knight Trainer [1]. . . . . . . . . . . . . . . .4 Apollo Badminton Trainer [2].. . .5 Siboasi SS-YB-8000 [3]. . . . . . . . . . .6 3D model druhého prototypu. . . .8 Podávací ramena vytištěná na 3D tiskárně. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 PLC B&R X20CP3586 [4]. . . . . . .9 Schema zapojení rozvaděče. . . . 10 Graf pohybu z polohy −45◦ do polohy 45◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Graf pohybu z polohy 90◦ do polohy 100◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Graf pohybu z polohy 90◦ do polohy 100◦ se sníženým zrychlením. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Graf pohybu z polohy −15◦ do polohy 10◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Výkres kotouče. . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Roztočení podavače . . . . . . . . . . . . 13 Dynamické měření přesnosti při střídání stran. . . . . . . . . . . . . . . 13 Dynamické měření přesnosti při střídání vzdálenosti. . . . . . . . . 13 Závislost dostřelu na rychlosti otáčení kotoučů. . . . . . . . . . . . . . 15 Vývojové prostředí Automation studio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Vývojový diagram automatického řízení. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Vizualizace - Výběr tréninkového programu . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Vizualizace - Nastavení tréninkového programu . . . . . . . . . . . 21 Vizualizace - Chod programu . . 21 Vizualizace - Manuál . . . . . . . . . . . 22 Vizualizace - Servis . . . . . . . . . . . . 23 Badmintonový kurt - zóny dopadu míčků . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Tréninkové programy - střelba do zadní části kurtu . . . . . . . . 27 Tréninkové programy - střelba do střední části kurtu . . . . . . 28

8.4. Tréninkové programy - obrana ve střední části kurtu . . . . . . . 8.5. Tréninkové programy - střelba na/za síť . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1. Výkonová jednotka. . . . . . . . . . . . . 9.2. Raspberry Pi 2 B [5] . . . . . . . . . . . 9.3. Návrh nového uživatelského rozhraní - výběr programu. . . . . 9.4. Návrh nového uživatelského rozhraní - parametry. . . . . . . . . . . 9.5. Návrh nového uživatelského rozhraní - chod tréninku. . . . . . .

ix

28 29 32 33 34 35 36

Kapitola Úvod

1

Badminton je velmi starý a v poslední době populární sport. Jedná se o sport, kdy protivníci, případně dvojice protivníků, pomocí rakety odpalují opeřený míček přes síť. Hra probíhá na kurtu o délce 13,4 m a šířce 5,18 m, u čtyřhry je kurt široký dokonce 6,1 m. Výška sítě je 1,55 m.

Obrázek 1.1. Badmintonový kurt [6]

V roce 1992 se badminton stal olympijským sportem a není divu, jedná se totiž o nejrychlejší raketový sport. Rychlost smeče přesahuje i 300 km/h. Aby však hráči dokázali podávat takovýto výkon, je zapotřebí tvrdého tréninku. Takový trénink ovšem není náročný pouze pro hráče, ale také pro trenéra. K usnadnění tréninku slouží právě badmintonový stroj. Ten je určen k nadhazování míčků, často v takovém tempu, jaké by bylo pro trenéra dlouhodobě neudržitelné. U badmintonového stroje jsou kladeny vysoké nároky hlavně na rychlost podávání míčků a na dynamiku nastavení směru odpalu. Tyto nároky vyplývají z požadovaných tréninkových programů viz kapitola 8. Tato bakalářská práce svým obsahem navazuje na bakalářskou práci Ondřeje Maslikiewicze [7] a rozšiřuje možnosti stroje o nastavení azimutu a elevace. Dále se tato práce bude zabývat návrhem nové konstrukce a výběrem nové řídicí jednotky a akčních jednotek, novým uživatelským rozhraním a samotným algoritmem řízení.

1

Kapitola 2 Původní stav V této kapitole je uveden popis badmintonového stroje před započetím úprav provedených v rámci této práce.

2.1

Popis konstrukce

Původní konstrukce byla tvořena dvěma, protiběžně rotujícími kotouči, zásobníkem na badmintonové míčky a podávacím ramenem. Celá konstrukce je vidět na obrázku 2.1.

Obrázek 2.1. 3D model prvního prototypu.

Jako pohon kotoučů a podávacího ramene, byly použity synchronní motory firmy B&R 8MSA2S.R0-42-Rev.D0. Tyto motory mají krouticí moment pouze 0,2 Nm, což celkem limituje možné zrychlení. Pro každý kotouč byl použit jeden motor a tyto motory byly pak pomocí virtuální převodovky synchronizovány. Kotouče byly vyrobeny ze silonu a měly průměr 198 mm. Na tyto kotouče byla pomocí kovového mezikruží natažena guma z duše k automobilu. Tímto pogumováním bylo zvýšeno tření mezi kotouči a míčkem. Bohužel tato guma nebyla přilepena, a proto se při vysokých rychlostech nafukovala. Podavač byl tvořen zásobníkem na míčky, ve tvaru tubusu. Na konci je zúžení, o které se míček při samovolném pohybu dolů zasekne. Pomocí dvou proti sobě umístěných podavačů je míček posunut o patro níže, kde je opět zúžení. V tomto zúžení je poté míček nabrán pomocí otočného ramene, které míček dopraví mezi kotouče (viz obrázek 2.2) První prototyp neměl nastavitelný azimut ani elevaci odpalu, a proto byl pro opravdový badmintonový trénink téměř nepoužitelný. Celý tento prototyp sloužil pouze k ověření principu odpalu a technických možností konstrukce, jako je dostřel a možnosti podavače. 2

............................................

2.2 Řízení

Obrázek 2.2. 3D model podavače.

2.2

Řízení

K řízení bylo použito PLC firmy B&R X20CP1485. Toto PLC mělo poměrně malou paměť RAM, z tohoto důvodu mohlo být ovládací rozhraní pouze s rozlišením 320 x 240. Motory byly řízeny pomocí servozesilovačů ACOPOS 8V1010. Tyto servozesilovače měly dvě rozšiřující karty. Karta AC114 slouží pro komunikaci přes sběrnici POWERLINK a zajišťuje komunikace s PLC. Druhá použitá karta je resolverová karta AC122 a slouží k zajištění polohové zpětné vazby od motorů. Řídicí program byl napsán ve vývojovém prostředí Automation studio. Projekt byl rozdělen do několika částí balíčků. Balíček Hlavni motor, Prevodovka a Odpalovani sloužily k řízení jednotlivých motorů. Dále v balíčku Ostatni byly fukce starající se o chod celého stroje. Funkce KontrolAut se starala o chod automatických programů a jednalo se o jednoduchý stavový automat. Další funkcí byla funkce KontrolServis, která zajišťovala řízení stroje v manuálním režimu. Opět se jednalo o stavový automat. Ovládací rozhaní bylo implementováno pomocí VNC serveru a bylo umístěno v balíčku Vizualizace.

3

Kapitola 3 Konkurenční řešení Jako dnes už u téměř každého výrobku, i pro badmintonový stroj existuje konkurence. V této kapitole je uvedeno několik nejvýznamějších konkurenčních výrobků s popisem funkce a parametrů.

3.1

Knight Trainer

Prvním zástupcem konkurence je Knight Trainer (viz obrázek 3.1). Zařízení je montováno na stativu s nastavitelnou výškou od 1,98 m do 2,4 m. Stativ je montován na kolečkách, tím je zajištěna mobilita zařízení. Stroj dokáže vystřelit až 2,5 košíku za sekundu, s tím, že zásobník pojme 50 košíků. Zařízení se ovládá pomocí infračerveného ovladače, kterým lze měnit frekvenci střelby a rychlost vystřeleného míčku. Zařízení neumí automaticky měnit směr ani elevaci. Knight Trainer je možné propojit s druhým zařízením a využít tak možnosti střílet na dvě různá místa a s dvojnásobnou frekvencí.

Obrázek 3.1. Knight Trainer [1].

4

.................................... 3.2

3.2 Apollo Badminton Trainer

Apollo Badminton Trainer

Další zástupce konkurenčních výrobků je Apollo Badminton Trainer zobrazený na obrázku 3.2. Zařízení je opět montováno na stativu s kolečky, u kterého se dá nastavit výška v rozmezí 1,3 m až 1,8 m. Zásobník má kapacitu 250 košíků a zvládá vystřelit jeden košík za 1,2 s. Rozsah na natočení azimutu je 180◦ . Nastavení elevace zvládá v rozsahu −15◦ až 65◦ . Rychlost výstřelu je nastavitelná až do 209 km/h. Nastavení směru lze provádět manuálně nebo automaticky podle některého ze zvolených tréninkových programů. Lze naprogramovat až 9 tréninkových programů pomocí připojeného PC. Ovládání na kurtu potom probíhá pomocí bezdrátového ovladače. K tomuto stroji lze opět připojit druhý, čímž lze získat dvojnásobnou periodu odpalu, tedy 0,65 s a dvojnásobnou kapacitu zásobníku.

Obrázek 3.2. Apollo Badminton Trainer [2].

5

3. Konkurenční řešení

3.3

.......................................

Siboasi

Jedná se o stroj britské společnosti Siboasi. Tato společnost dodává několik typů strojů, které se liší pouze možnostmi tréninkových programů. Zařízení je jako ostatní konkurence montováno na stativu s kolečky a integrovaným zvedacím systémem s možností zvednutí do výšky až 2,3 m. Zásobník na míčky má kapacitu 110 košíků. K ovládání stroje slouží LCD display na stroji a dálkové ovládání. Stroj obsahuje 16 předdefinovaných simulačních programů s možností vytváření vlastních u vyšší řady. U levnějšího typu nelze vytvářet vlastní programy. Rychlost výstřelu je možno nastavit v rozsahu 30 km/h až 150 km/h. Stroj dokáže střílet míček každých 2 až 12 s. K napájení stroje lze použít rozvodnou síť 230 V/50 Hz nebo integrovaný akumulátor s výdrží 4 až 6 h.

Obrázek 3.3. Siboasi SS-YB-8000 [3].

6

...................................... 3.4

Výška Perioda výstřelů Zásobník Azimut Elevace Rychlost odpalu Ovládání Tréninkové programy

3.4 Porovnání konkurence

Porovnání konkurence Knight Trainer

Apollo Badminton Trainer

Siboasi

1,98 m - 2,4 m 2,5 košíků za s

1,3 m - 1,8 m košík za 1,2 s

50 košíků Manuálně Manuálně

250 košíků Automaticky Automaticky až 209 km/h

dálkové ovládání

PC dálkové ovládání 9 programovatelných pomocí PC

až 2,4 m košík za 2 s až 12 s 110 košíků Automaticky Automaticky 30 km/h až 150 km/h LCD display dálkové ovládání 16 pevných + programovatelné

Manuálně

Tabulka 3.1. Porovnání konkurence.

V tabulce 3.1 jsou vedle sebe vypsány důležité parametry konkurenčních strojů pro jednoduché porovnání.

7

Kapitola 4 Prototyp 2 Druhý prototyp vychází z původního stroje, ke kterému přidává možnost změny elevace a azimutu. Konstrukce je opět tvořena rotujícími kotouči a podávacím ramenem.

4.1

Popis konstrukce

Celá konstrukce je vidět na obrázku 4.1. Původní konstrukce je nyní umístěna na kloubu. Tím je zajištěna možnost nastavovat elevaci výstřelu. Zařízení je také otočné, čímž jsme získali možnost měnit směr, jakým poletí vystřelený míček.

a)

b) Obrázek 4.1. 3D model druhého prototypu.

Dále bylo třeba vyztužit celou konstrukci, jelikož byla nestabilní a při rychlé změně azimutu se rozkmitala. Při testování na kurtu se objevil další problém, a to neodladěný podavač, který podával míčky takovým způsobem, že z nich kotouče otrhávaly peří a tím míčky ničily. Dále se občas stalo, že se opěrný drát rozkmital a podávací rameno se o něj zachytilo.

4.1.1

Ladění podavače

Po detailním zkoumání podavače bylo rozhodnuto, že tvar podávacího ramene je nevyhovující. Pro určení správného tvaru byla využita technologie 3D tisku. Bylo vyzkoušeno několik různých tvarů podávacího ramene (viz obrázek 4.2). Nakonec byl vybrán tvar, který je uveden na obrázku 4.2 vpravo. Tento tvar byl vybrán proto, že při nabírání košíku nedochází k zasekávání podavače a míček je poté dopraven mezi kotouče vždy stejně, navíc nedochází k otrhávání peří. 8

.......................................

4.2 Elektrické zapojení

Obrázek 4.2. Podávací ramena vytištěná na 3D tiskárně.

4.2

Elektrické zapojení

Ke stávajícímu zapojení byl přidán další motor B&R 8MSA2S.R0-42-Rev.D0. K pohonu nastavení elevace je použit silnější motor B&R 8LSA25.R0060D000-0 Rev.C4. Tento silnější motor má krouticí moment 0,6 Nm. I přesto, že byl na nastavení elevace použit silnější motor, tak se tento motor přibližně po minutě přehříval a servozesilovač padal do chyby. Proto muselo být přidáno závaží, které vyvážilo celý mechanizmus. Ke stávajícím servozesilovačům ACOPOS 8V1010 byly přidány další dva, které byly zapojeny stejným způsobem jako servozesilovače doteď namontované. Přidané servozesilovače jsou napájeny ze zdroje od firmy B&R. K zařízení byl také přidán access point díky čemuž lze zařízení ovládat pomocí technologie WiFi například z mobilního telefonu. Toto AP je napájeno ze servisní zásuvky. Kompletní zapojení rozvaděče po rozšíření je na obrázku 4.3. Zbytek zapojení zůstal stejný jako na počátku práce. Stroj je tedy stále napájen ze sítě 230 V/50 Hz. Servořadiče ACOPOS v sobě mají velký filtrační kondenzátor, který je zapojen proti zemnicímu vodiči. Při nabíjení tohoto kondenzátoru by tudíž docházelo k odpojování obvodu proudovým chráničem, proto je napájení realizováno přes oddělovací transformátor.

Obrázek 4.4. PLC B&R X20CP3586 [4].

Za transformátorem je umístěn hlavní vypínač, kterým se vypíná napájení stroje. Na silové napájení jsou přes jističe připojeny silové vstupy servozesilovačů ACOPOS. 9

4. Prototyp 2

..........................................

Obrázek 4.3. Schema zapojení rozvaděče.

Posledním zařízením připojeným na 230 V jsou zdroje stejnosměrného napětí 24 V. Zdroje jsou zde dva, jeden od firmy B&R, kterým je mimo nově připojených servozesilovačů napájeno PLC B&R X20CP3586 (obrázek 4.4). Druhým zdrojem je zdroj WAGO, ten napájí zbylé tři servozesilovače. Nulový potenciál obou zdrojů je spojený a přes rozpínací tlačítko TOTAL STOP je přiveden na vstupy ENABLE všech servozesilovačů. Servozesilovače komunikují s řídicím systémem pomocí sběrnice POWERLINK.

4.3

Dynamické parametry

K určení dynamických parametrů bylo provedeno několik experimentů. Cílem bylo zjistit maximální možnosti stroje a porovnat je s požadavky, které vyplývají z kapitoly 8.

4.3.1

Parametry PID regulátorů polohy

Dynamické parametry závisí na nastavení PID regulátoru polohy v servozesilovačích. Po přidání motorů pro nastavení azimutu a elevace bylo potřeba tyto parametry regulátorů nastavit. Parametry jsem se pokoušel ladit pomocí Zieger-Nicholsovy metody, ale vzhledem k omezenému rozsahu pohybu nebylo možno systém patřičně rozkmitat. Z tohoto důvodu jsem přistoupil k experimentálnímu nastavení konstant.

4.3.2

Elevace

Z obrázku 4.5 vyplývá, že pohyb z polohy −45◦ do polohy 45◦ trval 0,8 s. Tento pohyb je téměř bez překmitu, bohužel při pohybu kratšim než 20◦ má motor moc malý krouticí moment a tak nezvládne stroj ubrzdit. Dochází tedy k velkému překmitu, což je vidět na obrázku 4.6. V tomto případě trvá pohyb do ustálení přibližně 0,75 s. Proto je potřeba 10

......................................

4.3 Dynamické parametry

Obrázek 4.5. Graf pohybu z polohy −45◦ do polohy 45◦ .

Obrázek 4.6. Graf pohybu z polohy 90◦ do polohy 100◦ .

Obrázek 4.7. Graf pohybu z polohy 90◦ do polohy 100◦ se sníženým zrychlením.

při takto krátkém přesunu snížit hodnotu zrychlení. Při snížení zrychlení o 60 RPsM se zmenší překmit a doba do ustálení se zkrátí přibližně na 0,5 s. Z požadavků na tréninkové programy (viz kapitola 8) vyplývá, že maximální požadovaná změna elevace je asi 45◦ . Tuto změnu stroj zvládne přibližně za 0,5 s.

4.3.3

Azimut

Dynamické parametry azimutové osy jsou o něco horší, celý stroj je totiž celkem težký a takto slabý motor nedokáže zajistit požadované zrychlení. Motor pro nastavení azimutu má pouze 0,2 Nm, což nestačí ani pro udržení polohy. Z tohoto důvodu motor dokáže pracovat přibližně minutu, poté již je teplota motoru kritická a servozesilovač motor odpojí. Při přesunu o 25◦ dostáváme hodnotu 2 s. Bohužel pohyb je velmi pomalý z důvodu malého zrychlení (viz obrázek 4.8), při nastavení vyššího zrychlení se motor přehřeje hned po několika provedených pohybech s tímto zrychlením.

Obrázek 4.8. Graf pohybu z polohy −15◦ do polohy 10◦ .

11

4. Prototyp 2

4.3.4

.......................................... Kotouče

Požadavky na zrychlení kotoučů, opět vyplývají z kapitoly 8. V nejrychlejším režimu je potřeba měnit otáčky v rozsahu přibližně 2000 RPM za sekundu. Tuto změnu otáček by, v ideálním případě, bylo potřeba stihnout za 0,3 s. Teoretické parametry vyplývají z momentu setrvačnosti kotouče s motorem a točivého momentu motoru. Moment setrvačnosti kotouče vyplývá z rozměrů (viz obrázek 4.9) a hmotnosti kotouče. K tomuto momentu setrvačnosti musíme připočítat moment setrvačnosti rotoru.

Obrázek 4.9. Výkres kotouče.

Moment setrvačnosti kotouče byl vypočítán pomocí programu Inventor a vyšel 2003,4 kg · mm2 . Z dokumentace k motoru bylo zjištěno, že moment setrvačnosti rotoru je 60 kg · mm2 . Maximální zrychlení je dáno vztahem (1). M (1) J Kde α je úhlové zrychlení, M je moment síly a J je moment sertvačnosti. Moment síly dostáváme z dokumentace k motoru, kde jsme zjistili, že maximální stálý moment je 0,2 Nm a maximální špičkový moment je 0,8 Nm. Vzhledem k tomu, že rychlost otáčení měníme pouze jednou během jednoho výstřelu a v případě tohoto prototypu je maximální perioda výstřelů okolo 1 s, můžeme počítat s momentem síly blížícím se maximálnímu špičkovému zatížení. V našem případě použijeme 0,7 Nm. Jako maximální zrychlení tedy po dosazení do vztahu (1) dostáváme hodnotu 339, 25 rad · s−2 . α=

4.3.5

Podavač

Požadavky na podavač, které jsou dány v kapitole 8, jsou velmi náročné. V nejrychlejším režimu je potřeba střílet 3 míčky za vteřinu. Této rychlosti nejsme schopni dosáhnout, pokud budeme po každém výstřelu podavač zastavovat, ale můžeme jí dosáhnout pouze 12

.....................................

4.4 Měření přesnosti úderů

v případě, že podavač roztočíme na potřebnou rychlost a vystřílíme všechny míčky najednou. V tomto režimu chvíli trvá než se podavač roztočí na požadovanou rychlost (viz obrázek 4.10). Maximální zrychlení je opět dáno momentem setrvačnosti a točivým momentem motoru.

Obrázek 4.10. Roztočení podavače.

4.4

Měření přesnosti úderů

Úkolem tohoto měření bylo zjistit přesnost úderů v různých situacích. Samotné měření bylo rozděleno na čtyři části. V každé z těchto částí bylo určeno několik poloh, do kterých se stroj trefoval a byla měřena vzdálenost dopadu míčku od cílového bodu. Každé měření bylo provedeno několikrát, aby se eliminovala chyba měření. Cílem těchto měření bylo zjistit, zda je výpočet dostřelu, použitý v automatických režimech, dostatečně přesný a zjistit závislost doletu míčku na otáčkách kotoučů.

Obrázek 4.11. Dynamické měření přesnosti při střídání stran.

Obrázek 4.12. Dynamické měření přesnosti při střídání vzdálenosti.

13

4. Prototyp 2

4.4.1

.......................................... Statické měření střelby rovně před sebe

V prvním měření byl určen pouze jeden bod a stroj střílel přímo před sebe. Určená vzdálenost byla 4 m při prvním měření a 9,4 m při druhém měření. Podle teoretického výpočtu dostřelu 4 m odpovídají otáčky 1000 RPM při elevaci 45◦ . Dostřelu 9,4 m odpovídají otáčky 3500 RPM. Tímto se určí závislost rozptylu na konkrétním míčku. Míček

Vzdálenost od cílového bodu [cm]

1 2 3 4 5

25 25 35 27 25

Tabulka 4.1. Naměřené hodnoty při střelbě rovně před sebe do vzdálenosti 4 m.

Průměrná vzdálenost dopadu míčku od cílového bodu při střelbě do vzdálenosti 4 m je 27,4 cm, rozptyl naměřených hodnot je 14, 44 cm2 . Míček

Vzdálenost od cílového bodu [cm]

1 2 3 4 5

13 20 45 13 40

Tabulka 4.2. Naměřené hodnoty při střelbě rovně před sebe do vzdálenosti 9,4 m.

Průměrná vzdálenost dopadu míčku od cílového bodu při střelbě do vzdálenosti 9,4 m je 26,2 cm, rozptyl naměřených hodnot je 186, 16 cm2 . Jak je vidět z naměřených hodnot, tak při střelbě do větší vzdálenosti se zvětšuje také rozptyl a to z toho důvodu, že při zvyšující se době letu se více projeví rozdíly mezi jednotlivými košíky.

4.4.2

Měření závislosti doletu na otáčkách kotoučů Otáčky [RPM]

Dolet [m]

250 500 750 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0,93 2,435 3,675 4,27 6,28 7,54 8,47 8,83 9,2 9,35

Tabulka 4.3. Měření doletu v závislosti na otáčkách kotoučů.

Závislost dostřelu na otáčkách kotoučů je uvedena na obrázku 4.13. 14

.....................................

4.4 Měření přesnosti úderů

Obrázek 4.13. Závislost dostřelu na rychlosti otáčení kotoučů.

Míček

Vzdálenost od bodu 1 [cm]

Vzdálenost od bodu 2 [cm]

1 2 3 4 5

12 15 5 2 8

5 6 0 14 2

Tabulka 4.4. Naměřené hodnoty při střídání stran.

4.4.3

Dynamické měření přesnosti při střídání stran

V druhém měření byly určeny dva body vzdálené 4,5 m od sebe a ve vzdálenosti 4 m od sítě (viz obrázek 4.11). Stroj střídal strany a střílel postupně na oba body. Cílem tohoto měření bylo určit přesnost střelby při střídání stran. Z naměřených hodnot uvedených v tabulce 4.4 vyplývá že průměrná vzdálenost od prvního bodu je 6,4 cm a u druhého 5,4 cm. Rozptyl od těchto hodnot vyšel 23, 44 cm2 respektive 23, 04 cm2 .

4.4.4

Dynamické měření přesnosti při střídání vzdálenosti

Poslední měření mělo za úkol zjistit přesnost střelby při změně vzdálenosti, do které stroj střílí. Opět byly zvoleny dva body před strojem. První bod byl ve vzdálenosti 4,5 m a druhý ve vzdálenosti 8 m (viz obrázek 4.12). Naměřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 4.5. Průměrná vzdálenost dopadu míčků od bližšího bodu je 2 cm s rozptylem 2, 8 cm2 . U vzrálenějšího bodu dostáváme průměrnou vzdálenost 21 cm a rozptyl 224, 8 cm2 .

4.4.5

Závěr měření

Z naměřených hodnot vyplývá že vztah použitý pro výpočet doletu, uvedený v kapitole 5.2, je pro naše účely dostatečně přesný. Při statickém měření bylo zjištěno jaký vliv na 15

4. Prototyp 2

..........................................

Míček

Vzdálenost od bodu 1 [cm]

Vzdálenost od bodu 2 [cm]

1 2 3 4 5

2 5 0 2 1

5 32 40 26 2

Tabulka 4.5. Naměřené hodnoty při střídání vzdálenosti.

přesnost mají různé míčky a z naměřených hodnot vyplývá, že s narůstající vzdáleností se zvyšuje rozptyl dopadajících míčků. Tento rozptyl míčků se zvyšuje, protože při střelbě na větší vzdálenost se zvýší doba letu a projeví se jakýkoliv rozdíl mezi košíky. Při střídání stran je rozptyl okolo jednotlivých bodů téměř stejný. Ze změřené závislosti doletu na otáčkách motoru je vidět že od otáček 3500 RPM se dostřel zvyšuje už minimálně.

16

Kapitola 5 Algoritmus řízení V této kapitole je popsána struktura řídicího programu. Použité PLC se dá programovat v několika jazycích, já k programování zvolil strukturovaný text a B&R Automation Basic. K programování je použit software Automation studio (viz obrázek 5.1). Dále je zde popsán výpočet teoretického doletu míčku a popis vývojového diagramu automatického režimu.

Obrázek 5.1. Vývojové prostředí Automation studio.

5.1

Struktura programu

Samotný program je rozdělen do balíčků a funkcí. Balíčků je velké množství a slouží zde pro inicializaci a řízení motorů. Všechny řídicí funkce jsou v balíčku Ostatní. Nejdůležitější funkcí je KontrolAut. Tato funkce se automaticky volá každých 100 ms a slouží k řízení odpalu při automatických tréninkových programech. Jedná se o stavový automat, jehož struktura je uvedena na obrázku 5.2. V této funkci jsou také přednastaveny počáteční parametry jednotlivých programů. Ve stavu VYPNUTO je stroj v klidu a čeká na spuštění některého z programů. Po nastartování tréninkového programu přechází do stavu PRIPRAVA, kde dochází ke spuštění motorů a vynulování relativních počítadel polohy. Po úspěšném spuštění motorů následuje stav PRIPRAVAOK, kde je spuštěna virtuální převodovka a stavový automat se dělí na jednotlivé programy. Každý tréninkový program má tři stavy. První stav například PARAMETRY4 pro čtvrtý tréninkový program slouží k inicializaci startovních parametrů programu. Dalším stavem je NastaveniParametruP4, který vypočítá nové hodnoty parametrů pro další výstřel. Po tomto stavu následuje stav PalP4 ve kterém dojde k odpalu míčku a přechází se zpět k NastaveniParametruP4. Tyto stavy 17

5. Algoritmus řízení

........................................

jsou ale pouze u nově přidaných tréninkových programů, u náhodných programů, které byly obsaženy v prvním prototypu je pouze stav PARAMETRY a CHOD. Nakonec jsou zde stavy VYPINANI a PORUCHA. Stav VYPINANI slouží k vypnutí probíhajícího tréninkového programu. Dojde k zastavení všech pohonů a vypnutí motorů. Do stavu PORUCHA se stroj dostane při jakékoliv chybě pohonů, na diagramu znázorněno červenými přerušovanými šipkami.

Obrázek 5.2. Vývojový diagram automatického řízení.

5.2

Výpočet doletu

Pro většinu tréninkových programů je naprosto klíčová znalost doletu míčku v závislosti na nastavení rychlosti kotoučů a elevace. Trajektorie letu košíku je balistická křivka. Při letu košíku navíc dochází k jeho přetočení a oscilacím, proto je popis trajektorie letu velmi složitý. Popisem křivky letu se zabývají například práce [8] a [9]. Velkým problémem při výpočtu doletu je rozdíl mezi různými míčky, při výpočtu by bylo potřeba zohlednit například i materiál nebo stáří míčku. V neposlední řadě je nutné znát i rychlost košíku při opuštění stroje. Tato rychlost se teoreticky rovná obvodové rychlosti kotoučů, ale z důvodu prokluzu míčku mezi kotouči bude vždy menší. Proto nikdy nespočítáme dostřel přesně a výpočet bude vždy jen přibližný. V práci [10] je odvozen vztah (1) který celkem dobře aproximuje dolet míčku v závislosti na počáteční rychlosti, nastavené elevaci a aerodynamické délce. Je zde také odvozeno že při vysokých rychlostech už dolet míčku nezávisí na počáteční rychlosti. Tento jev se nazývá „aerodynamická zeď“. !   L · cos(ϕ) v0 2 x= · ln 1 + 4 · · sin(ϕ) (1) 2 vinf kde x je vzdálenost, ve které se míček nachází ve stejné výšce, z jaké byl vystřelen v metrech. L je aerodynamická délka opět v metrech. Dále je zde ϕ, což je počáteční úhel elevace. V neposlední řadě vztah obsahuje počáteční rychlost košíku v0 a maximální pádovou rychlost vinf . Obě rychlosti se dosazují v m · s−1 . 18

........................................

5.2 Výpočet doletu

Odvozením konkrétní trajektorie míčku se zabývá práce [8] kde je uvedeno také porovnání různých typů košíků a jejich trajektorií. Parametr, který je závislý na konkrétním košíku, je aerodynamická délka L. V tomto parametru se projevuje každá nesymetrie míčku. Parametr je také závislý na váze, materiálu a opotřebení košíku. Hodnoty tohoto parametru byly experimentálně odvozeny v práci [9]. V této práci je odvozeno, že košíky vyrobené z peří mají tuto délku přibližně L=6,5 m a plastové košíky přibližně L=7 m. Z těchto hodnot vyplývá, že míčky vyrobené z plastu jsou rychlejší a mají větší dolet. Změřené údaje popisující možnosti stroje jsou uvedeny v kapitole 4.4.

19

Kapitola 6 Uživatelské rozhraní Oproti původnímu prototypu bylo také rozšířeno uživatelské rozhraní. Původní vizualizace byla z důvodu omezené paměti použitého PLC pouze v rozlišení 320 x 240. I přesto, že PLC použité v druhém prototypu má dostatek paměti pro spuštění vizualizace v rozlišení FullHD, zvolil jsem rozlišení nižší, a to pouze 800 x 600. Takovéto rozlišení jsem zvolil hlavně proto, aby bylo možné stroj ovládat i pomocí mobilního telefonu. Celá vizualizace je vytvořena ve dvou jazycích, a to v češtině a angličtině. Nastavení jazyka lze provést v servisní obrazovce. Na každé obrazovce je v pravém horním rohu tlačítko pro zobrazení nápovědy k dané obrazovce a tlačítko s upozorněním na chybu stroje.

6.1

Volba a nastavení tréninkového programu

Pro běžný provoz je použit automatický režim. V tomto režimu je na výběr několik tréninkových programů, které je možno přepínat z obrazovky na obrázku 6.1. Popis jednotlivých tréninkových programů je uveden v kapitole 8.

Obrázek 6.1. Vizualizace - Výběr tréninkového programu.

Po vybrání tréninkového programu je možnost nastavit jednotlivé parametry programu jako je rychlost kotoučů, perioda odpalu nebo například počet míčků k odpalu (viz obrázek 6.2). 20

...................................

6.2 Chod tréninkového programu

Obrázek 6.2. Vizualizace - Nastavení tréninkového programu.

Obrázek 6.3. Vizualizace - Chod programu.

6.2

Chod tréninkového programu

Po spuštění některého z automatických režimů je po celou dobu tréninku zobrazena obrazovka, na které je ukázán počet odpálených a zbývajících míčků. Z této obrazovky je také možno kdykoliv trénink ukončit. Z obrázku 6.3 je vidět, že jsou zde i některé základní parametry režimu. Při chodu tréninkového programu je potřeba aby se trenér ani hráč nemuseli zabývat případnými chybami pohonů. Proto muselo být vyřešeno jak se z takovéto chyby automaticky zotavit. O zotavení z chyby se stará fukce pro automatické potvrzování chyby. Tato funkce je implementována v obsužné funkci ke každému z motorů. Pokud dojde 21

6. Uživatelské rozhraní

.......................................

v odstavení některého z motorů kvůli chybě a zároveň je požadavek na pohyb tohoto motoru, automaticky se spustí funkce, která chybu potvrdí a pokusí se znovu spustit motor. V případě že se automatické potvrzení povede, tak uživatel zaznamená pouze velmi krátký výpadek.

6.3

Manuální režim a servisní obrazovka

Manuální režim slouží k ručnímu nastavení směru, roztočení motorů a k provedení ručního odpalu. Tento režim slouží například k měření parametrů stroje.

Obrázek 6.4. Vizualizace - Manuál.

Servisní obrazovka obrázek 6.5 je určena k nastavení parametrů PLC a vizualizace. Je zde možnost přepnout mezi anglickým a českým jazykem, dále je zde možnost nastavit čas a síťové parametry PLC. Síťové parametry by měly být nastaveny s ohledem na nastavení AP TP-Link, aby nenastalo to, že by byl stroj v jiné podsíťi než AP, čímž by se znemožnila komunikace.

22

................................

6.3 Manuální režim a servisní obrazovka

Obrázek 6.5. Vizualizace - Servis.

23

Kapitola 7 Analýza točivého momentu Obsahem této kapitoly je podrobná analýza točivého momentu na jednotlivých osách. Tato analýza je potřeba ke správné volbě motorů pro nový prototyp.

7.1

Kotouče

Jak již bylo uvedeno v kapitole 4, maximální rychlost kotoučů, která má smysl, je 4000 RPM. Při vyšších rychlostech otáčení totiž míček při dotyku s povrchem kotouče prokluzuje a rychlost odpalu se nezvyšuje. Dále z kapitoly 8 vyplývá, že je potřeba vešteré změny rychlosti stihnout za 1 s. Velký moment je zapotřebí pouze při změně rychlosti otáčení kotoučů. Největší změny jsou při střídání střelby do zadní části a přední části kurtu. Při takovémto režimu dochází ke změně otáček asi o 2000 RPM. Potřebný točivý moment motoru vypočítáme podle vzorce (1). M =α·J

(1)

kde M je moment síly potřebný pro požadované zrychlení v Nm. J je moment setrvačnosti kotouče a rovná se 2063, 4 kg · mm2 (viz Kapitola 4), je potřeba jej dosazovat v jednotce kg · mm2 a α je úhlové zrychlení, které vyplývá z uvedených hodnot a je rovno 209, 44 rad · s−2 . Úhlové zrychlení je potřeba dosazovat v rad · s−2 . Po převedení na správné jednotky a dosazení do vztahu (1) je tedy minimální požadovaný točivý moment motoru 0,432 Nm.

7.2

Elevace

Pro výpočet momentu potřebného pro pohyb osy elevace neznáme přesnou hodnotu momentu setrvačnosti. Tu můžeme přibližně odvodit ze zkušeností se strojem a úhlového zrychlení, které stroj zvládá. Maximální zrychlení, které bylo vyzkoušeno a motor jej ještě zvládá, je 450 RPsM , tedy α = 47, 12 rad · s−2 . Použitý motor má moment 0,6 Nm, špičkově až 2,4 Nm. Počítat budeme s momentem M=2 Nm. Moment setrvačnosti můžeme odhadnout dosazením do vzorce (2). α=

M J

(2)

Po dosazení dostáváme hodnotu J = 42444, 8 kg · mm2 . Tato hodnota je samozřejmě pouze velmi hrubým odhadem dané veličiny, ale pro naše účely je tento odhad dostatečný. Z kapitoly 8 dostaneme nejvyšší změnu elevace, a za jaký čas je potřeba tuto změnu stihnout. Nejnáročnější na změnu elevace bude opět režim při kterém je zapotřebí pokrýt celý kurt, zde je nutné stíhat měnit elevaci v rozsahu asi 45◦ az 65◦ , tedy o 20◦ . Tuto změnu je potřeba provést za 1 s. Požadované úhlové zrychlení určíme ze vztahu pro dráhu rovnoměrně zrychleného pohybu vo kružnici (3). 24

........................................... s=

7.3 Azimut

1 ·  · t2 2

(3)

2·s t2

(4)

=

Po dosazení do vztahu (4) dostáváme požadované zrychlení 80◦ · s−2 tedy 1, 396 rad · s−2 . Toto požadované zrychlení není nijak kritické a po dosazení do vztahu (1) dostáváme minimální požadovaný točivý moment motoru 0,06 Nm.

7.3

Azimut

Podobně jako u elevace tak ani u azimutu neznáme přesnou hodnotu momentu setrvačnosti, takže jej musíme odhadnout stejným způsobem. Nastavené zrychlení, které stroj ještě zvládá, i když krátkodobě, je 45 RPsM to znamená 4, 71 rad · s−2 . Na osu azimutu je použit slabší motor než na osu elevace z toho důvodu, že silnější motor má větší rozměry a tak se motor do mechanické konstrukce nevejde. Použitý motor má stálý moment 0,2 Nm a špičkový 0,8 Nm. Vzhledem k tomu, že motor vydrží pracovat jen krátkodobě, tak budeme pracovat se špičkovým momentem. Opět dosadíme do vztahu (2) a dostáváme hodnotu momentu setrvačnosti 169851, 4 kg · mm2 . Opět se ale jedná pouze o hrubý odhad. Nejvyší změna azimutu je z hodnoty −60◦ na hodnotu 60◦ , tedy o 120◦ . Tuto změnu je opět potřeba sihnout za 1 s. Této hodnoty bohužel kvůli parametrům motoru nejsme schopni dosáhnout. Po dosazení do vztahu (4) dostáváme požadované zrychlení 8, 378 rad · s−2 . Zde už se jedná o celkem vysoké zrychlení, což se také projeví na požadovaném točivém momentu, který dostaneme dosazením požadovaného zrychlení a momentu setrvačnosti do vztahu (1). Po provedení výpočtu dostáváme hodnotu 1,423 Nm.

25

Kapitola 8 Tréninkové programy Požadavky na stroj byly konzultovány s badmintonovým trenérem Mgr. Michalem Turoňem. Podle těchto požadavků a možností stroje byly sestaveny jednotlivé automatické režimy. Všechny tyto režimy byly implementovány do stroje. U každého z dále uvedených programů jsou uvedeny ideální parametry a parametry, kterých je schopen tento prototyp dosáhnout. Dále je také uvedeno s jakým omezením je který program implementován. Tréninkové programy jsou rozděleny podle části kurtu, do které jsou stříleny míčky. Jednotlivé zóny jsou znázorněny na obrázku 8.1.

Obrázek 8.1. Badmintonový kurt - zóny dopadu míčků.

V badmintonu existuje několik druhů úderů, které je potřeba procvičit. Každý typ úderu vyžaduje jinou křivku letu a jinou razanci úderu. 26

.......................................... 8.1

8.1 Zadní část

Zadní část

Prvním automatickým režimem je střelba do zadní části kurtu. Při tomto režimu hráč procvičuje odehrávku míčů, které letí na zadní čáru. Takovéto míče mají celkem specifickou křivku letu, která je závislá na tom, jaký druh úderu se procvičuje. V zadní části se procvičují tři druhy úderů. První z nich je Klír. Jedná se o úder ze zadní části kurtu, který letí obloukem do zadní části soupeřovy poloviny [11]. Přihrávka na tento úder tedy pochopitelně musí letět do zadní části. Tato přihrávka letí obloukem na zadní čáru. Při testování na kurtu byl určen jako ideální úhel elevace 60◦ . Dalším z úderů procvičovaných v zadní části je Drop. Tento úder je odehrán, podobně jako Klír, ze zadní části kurtu s tím rozdílem, že po odehrání košík dopadá v blízkosti sítě [11]. Přihrávka na tento úder je téměř stejná, jako přihrávka na Klír. Posledním z úderů, procvičovaných ze zadní části hříště, je Smeč. Smeč je velmi prudký úder letící šikmo dolů do soupeřovy poloviny kurtu [11]. Přihrávka na smeč opět letí velkým obloukem na zadní čáru.

Obrázek 8.2. Tréninkové programy - střelba do zadní části kurtu.

Při střelbě do zadní části kurtu by měl stroj ideálně střílet přibližně jeden míček za sekundu v závislosti na obtížnosti programu. Dále by měl stroj střídat strany, na kterou míček letí, a to buď pravidelně, nebo nepravidelně. Možnosti jsou střílet z jedné strany, nebo z prostřed kurtu. Další možností je použít dva stroje, každý na jedné straně kurtu, které budou střílet přímo před sebe, případně křížem (viz obrázek 8.2). Z toho také vyplývá požadavek na rychlost změny azimutu, která by se měla stihnout dřív, než bude vypálen další míček. Protože je potřeba střílet přes celý kurt, tak je nutná i poměrně vysoká rychlost otáček kotoučů. Při testování na kurtu se jednalo o obvodovou rychlost přibližně 45 m· s−1 . S druhým prototypem jsme schopni dosáhnout pouze periody 5 s hlavně kvůli nastavení azimutu, které je velmi pomalé. Implementace ve stroji pokrývá přihrávku na všechny tři údery hrané ze zadní části kurtu a pokrývá všechny možnosti nastavení směru na obrázku 8.2. Jediné omezení tohoto režimu je perioda ve variantách, u kterých je potřeba měnit směr odpalu.

8.2

Střední část

Druhý režim je pro střelbu do střední části kurtu. Hráč procvičuje odehrání míčů, které padají do hříště mezi první a zadní čárou. Prvním úderem, který se procvičuje, je Drajv. Jedná se o plochý úder hraný těsně před tělem a letící těsně nad páskou sítě [11]. Ideální perioda střel je v tomto režimu jeden košík za 1,5 s až 2 s, opět ale závisí na obtížnosti programu. Stroj by měl střídat strany a znovu je zde možnost střílet 27

8. Tréninkové programy

......................................

Obrázek 8.3. Tréninkové programy - střelba do střední části kurtu.

z jedné poloviny kurtu nebo z prostřed. Režim střídání stran by měl být nastavitelný s možností pravidelného, nebo náhodného střídání stran. Přestavení do nové polohy je opět potřeba stihnout mezi výstřely. V tomto režimu je klíčová změna stran, proto druhý prototyp zvládá pouze jeden míček za 5 s. Jiné omezení implementace ve stroji nemá. Ve střední části se také hraje Obrana proti smeči. Pro tento úder je potřeba dostat stroj nad úroveň sítě. Stroj střílí prudký úder směrem dolů. Rychlostí kotoučů lze měnit sílu smeče. Požadavek na frekvenci je v tomto případě jeden míček za 2 s. Dalším důležitým požadavkem je nejnižší možný dostřel, tím je myšleno, jak blízko k síti dokáže stroj zasmečovat. Tento dostřel závisí na výšce, ze které stroj střílí a také na maximální velikosti záporné elevace.

Obrázek 8.4. Tréninkové programy - obrana ve střední části kurtu.

Stroj by měl mít možnost pokrýt co největší plochu a pokud možno střídat strany. Opět je zde možnost střílet z jedné strany kurtu, případně použít více spolupracujících strojů. U našeho prototypu je sice tento režim implementovám, ale protože stroj má celkem krátké kabely a spolu s rozvaděčem je relativně těžký, bylo by velmi obtížné zvednout stroj nad síť. Skutečné parametry by ale měly být stejné jako u předchozího režimu, tudíž jeden míček za 5 s.

8.3

Na síť

Míče, které dopadají těsně za síť, se nazývají Kraťas. Při tomto tréninkovém programu je potřeba střílet přibližně jeden košík za 1 s až 2 s. Stroj by měl pokrýt celou šířku sítě v několika variantách, uvedených na obrázku 8.5, včtně nepravidelného střídání stran. Druhou možností hry na síti je Sklepnutí. Oproti kraťasu míčky nepadají těsně za síť, ale jsou prudší a letí těsně nad sítí. Tyto míče je potřeba nastřelovat alespoň 28

...........................................

8.4 Celý kurt

Obrázek 8.5. Tréninkové programy - střelba na/za síť.

z první čáry. Perioda míčků je stejná jako u kraťasu a možnosti směrů jsou rovněž stejné. Prototyp 2 tento režim zvládá bez problémů, pokud budeme měnit směr průběžně. Bohužel z důvodu slabého motoru na ose azimutu, zvládá tento režim pouze krátkodobě. Při střídání stran není reálné zvládnout tento režim s druhým prototypem.

8.4

Celý kurt

Tréninkový program Celý kurt je spojením střelby do zadní čáry kurtu společně se střelbou těsně za síť. Při střelbě je nutné pokrýt celý kurt a je potřeba střílet košík za 1 s až 2 s. Při tomto tréninkovém programu je několik možností sřelby. Tyto možnosti jsou znázorněny na obrázku. Je zde možnost střídat krátkou a dlouhou střelu, případně různé režimy, jako dva dlouhé, jeden krátký nebo jeden dlouhý a dva krátké, případně dlouhou střelu rovně před sebe a krátkou křížem. Při testu bylo naměřeno, že protoyp 2 zvládá tento režim bez problémů při střelbě rovně a pouze střídání krátký dlouhý míč. Při změně směru má stroj opět problém se slabým motorem na ose azimutu a tak zvládá vystřelit jeden košík za 4,5 s.

8.5

Na raketu

Poslední a nejrychlejší tréninkový program je nahazování na raketu. Tento režim nemusí být hrán přes síť. Režim spočívá v tom, že stroj velmi rychle pálí míčky před sebe. Při nejvyšší obtížnosti by měly být odpáleny tři míčky za vteřinu. Takovéto rychlosti by nebyl trenér schopen dosáhnout. V tomto režimu není potřeba měnit směr a vše závisí pouze na podavači míčků. Ve stroji je tento režim implementován s tím, že tři míčky za vteřinu jsou v možnostech stroje, nezvádá jen průběžně měnit periodu odpalu.

8.6

Příjem servisu

Při tréninku je samozřejmě potřeba také procvičit příjem podání. Opět je nutné rozlišovat druh podání. Prvním druhem podání je Krátké podání. V ideálním případě letí míček těsně nad páskou a padá přesně na přední podávací čáru. Druhý typ podání, který je potřeba procvičit je tzv. Flick. Jedná se o dlouhé ploché podání, které v ideálním případě padá na zadní podávací čáru [11]. Oba druhy mají stejné požadavky. Stroj by měl pokrýt celou šířku kurtu a střílet přibližně jeden míček za sekundu. Další možností je nepravidelně střídat oba druhy podání. Tento režim v našem prototypu prozatím není implementován, ale skutečné parametry by měly být stejné, jako režim střelby do zadní části kurtu. 29

Kapitola 9 Prototyp 3 Třetí a finální prototyp je prozatím ve stavu návrhu. V této kapitole jsou uvedeny informace týkající se návrhu nového prototypu. Nový stroj by měl mít podstatně menší hmotnost, aby byl schopen splnit požadavky uvedené v kapitole 8. Dalším aspektem pro návrh nového stroje byla cena. Stroj by měl využívat levnější řídicí systém než dosavadní dva prototypy. Ovládání by mělo být co nejvíce intuitivní a fungovat i bez nutnosti připojit jiná zařízení jako notebook či mobilní telefon.

9.1

Návrh konstrukce

Jak již bylo řečeno, jedním z hlavních požadavků na novou konstrukci je, aby byla co nejlehčí. Hmotnost je důležitá jak kvůli snížení nároků na motory, tak i z důvodu přenosnosti stroje.

9.1.1

Kotouče

Konstrukce kotoučů bude oproti prototypu 2 menší, a to z důvodu snížení momentu setrvačnosti. Moment setrvačnosti kotouče se dá přibližně spočítat podle vztahu (1). 1 · m · r2 (1) 12 Pokud průměr kotouče zmenšíme na 99 mm, tedy na polovinu, a pokud bychom kotouče vyrobili ze stejného materiálu, dostali bychom se na čtvrtinu hmotnosti. Po 1 dosazení do vztahu (1) nám vyjde, že se moment setrvačnosti kotouče zmenší na 16 původního momentu. Problémem při zmenšení průměru je, že je potřeba zachovat maximální požadovanou obvodovou rychlost. U původního kotouče byla maximální rychlost motorů 4500 RPM, což odpovídá obvodové rychlosti 46,653 m · s−1 . Pro zachování této obvodové rychlosti, při polovičním průměru, je potřeba mít rychlost otáčení alespoň 9000 RPM. S ohledem na snížený moment setrvačnosti, můžeme určit přibližné požadované parametry motoru. Protože se zmenšením kotoučů je potřeba měnit otáčky kotoučů v dvojnásobném rozsahu než u prototypu 2, bude požadovaný moment motoru alespoň 18 původního požadovaného momentu, tedy 0,054 Nm. Další změnou oproti druhému prototypu je, že mezera mezi kotouči bude menší než je průměr hlavičky, a kotouče budou mezi sebou odpruženy. Tím se zajistí optimální přenos energie na košík, aniž by se deformoval. J=

9.1.2

Podavač

Na původním stroji byl podavač tvořen otočným ramenem, které podalo míček mezi kotouče. Tento podavač byl nevyhovující hlavně kvůli tomu, že míček byl při podání mezi kotouči v ležící poloze. V této poloze tak došlo k tomu, že byl míček protažen mezi kotouči i peřím a tím se výrazně snižovala jeho životnost. 30

.........................................

9.2 Návrh pohonů

V novém stroji by měl být podavač řešen jiným způsobem. Nejspíše bude podávací rameno ve tvaru kříže, který bude pod míčkem. Tím, jak se bude kříž otáčet, dojde k posunutí míčku mezi kotouče.

9.1.3

Nastavení směru

Jak již bylo uvedeno, je potřeba dosáhnout co nejlepších dynamických parametrů, proto je nutné, aby pro nastavení směru nebylo třeba pohybovat celým strojem. Z tohoto důvodu se nejspíše bude pohybovat pouze kotouči a podavačem míčků. Tento přístup má ovšem nevýhodu v omezeném rozsahu pohybu. Pro splnění požadavků na tréninkové programy je potřeba mít rozsah pohybu pro elevaci alespoň −25◦ až 60◦ . Požadovaný rozsah pohybu azimutu je alespoň −60◦ až 60◦ .

9.2

Návrh pohonů

Při výběru pohoných jednotek jsem vycházel z analýzy točivého momentu (viz kapitola 7) a předpokládaných úprav. Z těchto informací byla odhadnuta maximální požadovanoá rychlost otáčení motoru a požadovaný točivý moment motoru. S ohledem na požadované vlastnosti motorů budou pro pohon kotoučů dva stejnosměrné bezkartáčové motory. Navržený typ motoru je od firmy Anaheim Automation, konkrétně typ BLY174S-24V-12000 1 ). Tento motor má točivý motor 0,09 Nm a maximální rychlost otáčení 12000 RPM. K nastavení směru se jeví jako nejvhodnější řešení krokové motory. Krokové motory mají pro tuto aplikaci tu výhodu, že není potřeba externí enkodér k detekci polohy. Na novou konstrukci byl vybrán motor 23Y102S-LW8 2 ) opět od firmy Anaheim Automation. Parametry tohoto motoru jsou dostatečné pro použití na novém stroji. Točivý moment je 1,24 Nm a krok 1, 8◦ Jako poslední pohonný prvek bylo potřeba vybrat pohon pro podavač míčků. Navržené konstrukci nejlépe vyhovuje upravené modelářské servo, kterému se odstraní zarážky, aby se mohlo točit dokola.

9.3

Návrh řídicího systému

Řídicí systém použitý v předchozím prototypu byl velmi flexibilní a umožňoval snadno experimentovat s různými parametry stroje, ale pro třetí prototyp se jeví jako nevhodný především kvůli své velikosti. Proto bylo potřeba zvolit nový systém řízení, což zahrnuje vybrat výpočetní jednotku, výkonovou část a navrhnout ovládací rozhraní.

9.3.1

Výkonová jednotka

Pro řízení motorů byla vybrána právě vyvíjená deska od společnosti PIKRON. Tato výkonová část vycházi z desky MARS 8 od stejného výrobce. Jená se o právě vyvíjený prototyp, který se prozatím musí programovat pomocí konzole a funkce kterými disponuje se postupně rozšiřují při každé aktualizaci firmware. Zařízení také prozatím neumožňuje uložit nastavenou konfiguraci, proto se musí při každěm spuštění programovat znovu. Hlavní výhodou je to, že v zařízení je obsaženo velké množství algoritmů pro řízení různých motorů, což umožňuje připojit téměř jakýkoliv motor, včetně bezkartáčových stejnosměrných motorů a krokových motorů. Pro připojení je vyhrazeno 1

) http://www.anaheimautomation.com/products/brushless/brushless-motor-item.php?sID=143 &pt=i&tID=96&cID=22 2 ) http://www.anaheimautomation.com/products/stepper/stepper-motor-item.php?sID=13&pt=i &tID=75&cID=19

31

9. Prototyp 3

..........................................

Obrázek 9.1. Výkonová jednotka.

16 výstupních pinů, které jsou programovatelné a lze k nim připojit až 8 motorů. Tato výkonová část bude s řídicí částí komunikovat pomocí sběrnice UART, případně pomocí Ethernetu. Zařízení se skládá z výkonové části, jejíž vývoj momentálně probíhá. Druhou částí je řídicí část, jejímž srdcem je procesor ARM Cortex-M3 a hradlové pole FPGA Spartan 6. Komunikační možnosti této elektroniky jsou rovněž bohaté. Již zmíněný UART doplňuje převodník FTDI, který emuluje rozhraní USB. Dalšími možnostmi komunikace je ethernetové rozhraní, případně sběrnice CAN, I2C či SPI. Veškeré datové kanály jsou opticky odděleny. Celé zařízení je vidět na obrázku 9.1. Jedná se o prototyp zapůjčený od společnosti PIKRON. Vzhledem k tomu, že i s třetím prototypem se bude experimentovat tak je vhodné použít tuto jednotku s tím, že firmware jednotky se bude upravovat průběžně a je možno přidat i některé funkce, které budou potřeba pro řízení badmintonového stroje. Zároveň dojde k otestování jednotky výrobcem a odladění jednotlivých funkcí. Jednotka se připojí k PC pomocí sběrnice UART přes převodník FTDI. Po připojení se zařízení hlásí jako sériový port, na kterém naslouchá. Zařízení se ovládá pomocí jednoduchých příkazů. Každý příkaz se skládá ze tří částí, které mohou být odděleny mezerami [12]:

. . .

Jméno Je kombinace znaků. V případě že se příkaz vztahuje k motorům je na konci diplněn znak motoru. Operační znak Definuje typ příkazu. Pokud se jedná o dotaz použije se znak otazník „?“. Pro příkaz je vyčleněn znak dvojtečka „:“. Pro potvrzování může být použit znak tečka „.“. Parametr Jedná se o hodnotu vztahující se ke konkrétnímu příkazu například u příkazu PWMA:0 na motoru A nastaví střídu pwm na hodnotu 0.

Pro otestování funkce byly použity dva bezkartáčové motory. Příklad příkazů potřebných k roztočení jednoho z motorů je uveden níže. RELEASEA: PURGEA:

//Odpojí regulátor motoru A //Zastaví regulace s chybou motoru A

32

..................................... RELEASEB: PURGEB:

9.3 Návrh řídicího systému

//Odpojí regulátor motoru B //Zastaví regulace s chybou motoru B

REGOUTMAP:0,3,6//Namapuje výstupní piny (piny 0 až 3 na A, 3 až 6 na B) REGPTIRCA:1000 //Nastavení REGPTPERA:1 //Nastavení REGPTMARKA:1180//Nastavení REGMODEA:5 //Nastavení PWMA:0 //Nastavení PWMA:1000

parametrů regulátoru A parametrů regulátoru A parametrů regulátoru A módu řízení na pwm pro motor A 0 střídy na motoru A

//Nastavení 1000 střídy na motoru A rozsah 0 až 32000.

Pro naše účely budeme potřebovat příkazy pro řízení rychlosti otáčení a příkazy pro najetí na polohu. SPDA:1000 SPDA:-1000

//Roztočí motor A rychlostí 1000˜RPM //Roztočí motor A rychlostí 1000˜RPM opačným směrem

GA:100 GRA:100

//Najede motorem A na absolutní polohu 100 //Najede motorem A na relativní polohu 100

APA?

//Vrátí polohu motoru A

Pro otestování jednotky byl použit jednoduchý program napsaný v programovacím jazyku Python. Tento program se pouze připojí přes komunikační port k jednotce, zjistí její stav a následně odešle sadu příkazů. Celý kód, který roztočí dva stejnosměrné bezkartáčové motory stejnou rychlostí a opačným směrem, je uveden v příloze C.

9.3.2

Výpočetní jednotka

Pro řízení všech funkcí stroje je naprosto vyhovující jednodeskový počítač Raspberry Pi 2 B (viz obrázek 9.2). Jedná se o malý počítač přibližně velikosti platební karty. Tento počítač i přes svojí malou velikost a pořizovací náklady obsahuje vše potřebné pro běh operačního systému Linux.

Obrázek 9.2. Raspberry Pi 2 B [5].

Tento konkrétní model je založen na čtyřjádrovém procesoru ARM Cortex-A7, který je taktován na frekvenci 900 MHz. Procesor je doplněn 1024 MB operační paměti, 33

9. Prototyp 3

..........................................

která je sdílena s grafickým procesorem VideoCore IV. Místo pevného disku je použita micro SD karta, která slouží jak pro zavedení operačního systému, tak pro ukládání uživatelských souborů. Počítač je dále vybaven ethernetovým adaptérem s přenosovou rychlostí 10/100 a čtyřmi USB porty. Použitá verze Raspberry Pi dále obsahuje:

.. .. ..

40 GPIO pinů HDMI (1080p) Zvukový výstup přes 3,5 mm konektor. CSI kamera port DSI display port Sběrnice UART, I2C a SPI

Na Raspberry je nainstalován systém Raspbian, který je odnoží Linuxové distribuce Debian. K počítači Raspberry existuje obrovská komunita, což má tu výhodu, že na internetu je k dispozici nepřeberné množsví návodů a příkladů téměř na vše. Většina těchto příkladů je psána v jazyce Python.

9.3.3

Ovládání a uživatelské rozhraní

Jak již bylo zmíněno, pomocí uživatelského rozhraní se budou ovládat veškeré funkce stroje. Po spuštění je zobrazena obrazovka, na které je možnost výběru tréninkového programu. Náčrt této obrazovky je na obrázku 9.3.

Obrázek 9.3. Návrh nového uživatelského rozhraní - výběr programu.

V levé části této obrazovky je menu, ze kterého je možno vybrat existující tréninkový program. V prostřední části je krátký popis tohoto režimu, pod kterým je tlačítko na úpravu parametrů zvoleného programu. Tlačítko otevře obrazovku naznačenou na obrázku 9.4. Ve spodní části obrazovky je výběr varianty a nastavení obtížnosti. Celou pravou část zabírá obrázek kurtu, na kterém je naznačeno kde má být stroj umístěn a kam bude střílet. 34

.....................................

9.3 Návrh řídicího systému

Obrázek 9.4. Návrh nového uživatelského rozhraní - parametry.

Při přidání nového programu nebo při stisknutí tlačítka pro úpravu parametrů se otevře obrazovka na obrázku 9.4. V levém horním rohu je možnost změnit název a popis programu. Hned vedle je tlačítko pro odstranění programu. Pod polem pro popis programu je možnos vytvářet a mazat varianty upravovaného tréninkového programu. V prostřední části obrazovky je možno vytvářet a upravovat body, do kterých stroj střílí. Tyto body se upravují pomocí šipek, kterými se mění azimut, elevace stroje a také rychlost otáčení kotoučů. Při nastavování těchto parametrů lze povolit režim, při kterém dochází také průběžně k pohybům stroje a stisknutím tlačítka Vystřelit je možnost provést zkušební výstřel. Veškeré změny jsou také promítnuty do nákresu kurtu uvedeném v pravé části obrazovky. Zde je možnost měnit polohu stroje tím, že jej prostě přetáhneme jinam. Od nastavené polohy stroje se počítá poloha zobrazených bodů. Po spuštění vybraného tréninkového programu vidíme obrazovku na obrázku 9.5. Na této obrazovce je zobrazen probíhající trénink, počet odpálených a zbývajících míčků. Počet zbývajících míčků lze měnit pomocí tlačítek + a -. Dále je zde možnost průběžně měnit obtížnost případně přepínat mezi pravidelným a náhodným střídáním směru a intervalu. V pravé části obrazovky je navíc možnost přepnout na jiný tréninkový program. Ve spodní části obrazovky jsou tlačítka na zastavení případně pozastavení tréninku. Ovládání bude realizováno buďto pomocí zabudovaného tabletu, nebo pomocí dotykové obrazovky připojené k počítači Raspberry Pi. Použití tabletu by mělo výhodu v možnosti jeho vyjmutí ze stroje a ovládání stroje bezdrátově. Při použití dotykové obrazovky připojené k Raspberry Pi by bylo dobré k usnadnění ovládání připojit ještě bezdrátový ovladač. Tento ovladač by ovládal pouze základní funkce stroje jako přepnutí na další režim, změna rychlosti nebo pozastavení a spuštění tréninku. Díky tomuto ovladači by mohl stroj ovládat přímo trénující hráč. Uvedené ovládání bude ještě doplněno aplikací pro PC, který bude sloužit k jednodušší tvorbě tréninkových programů. Tyto programy se vytvoří v PC a poté se do 35

9. Prototyp 3

..........................................

Obrázek 9.5. Návrh nového uživatelského rozhraní - chod tréninku.

stroje přenesou pomocí flash disku nebo při přímém propojení kabelem. Z programu bude možnost také ovládat stroj, ale spíše jako nouzové nebo servisní řešení.

36

Kapitola Závěr

10

Cílem této práce bylo rozšířit badmintonový stroj o možnost změny elevace a azimutu. Dále implementovat tréninkové plány a realizovat uživatelské rozhraní. Nakonec také navrhnout pohony a řídící jednotku pro novou konstrukci a spolupracovat na návrhu. Veškerá měření a experimenty byly prováděny se stávajícím prototypem, který byl již při začátku práce poměrně těžký. Z důvodu zpevnění a vyvážení konstrukce se váha ještě zvýšila, ale rozhodlo se, že na ověření parametrů tato konstrukce postačí. V rámci práce jsem se seznámil s produkty firmy B&R a zprovoznil servozesilovače ACOPOS. Po zprovoznění servozesilovačů a odladění parametrů jsem zjistil nedostatečný výkon obou motorů, proto musela být osa elevace dodatečně vyvážena, čímž se problém této osy vyřešil. U osy azimutu by byl potřeba silnější motor, proto je nastaveno velmi malé zrychlení. Dále jsem implementoval tréninkové plány, podle požadavků badmintonového trenéra Mgr. Michala Turoně. Dynamické parametry tohoto prototypu bohužel nejsou natolik dobré, aby stroj dokázal pokrýt veškeré požadavky, ale pro ověření principu je tato implementace dostatečná. Pro ovládání těchto tréninkových programů bylo navrženo uživatelské rozhraní, které běží na VNC serveru v řídicím PLC. K tomuto VNC serveru se díky připojenému AP dá připojit i z mobilního telefonu. Stroj byl také otestován na badmintonovém kurtu se skutečnými hráči badmintonu a pod dohledem zkušeného trenéra, díky čemuž jsem mohl odladit křivky letu košíku a vyzkoušet využitelnost jednotlivých tréninkových programů. Při testování na kurtu bylo zároveň provedeno měření přesnosti úderů. Na základě zkušeností s prototypem jsem provedl analýzu točivého momentu, díky čemuž jsem mohl navrhnout motory pro nový prototyp stroje. Pro pohon kotoučů jsem vybral dva brushless motory. Tento typ motorů nejlépe splňoval požadavky, které na ně byly kladeny. Pro nastavení azimutu a elevace se jako nejlepší volba jeví použít krokové motory. Podavač bude v novém prototypu řešen jiným způsobem a bude použito několik modelářských servomotorů. Nová konstrukce bude mít nižší hmotnost a bude používat levnější a menší řídicí systém. Mezi hlavní změny patří zmenšení kotoučů, čímž se sníží moment setrvačnosti. Dále pro změnu směru se již nebude otáčet celým strojem, ale pouze kotouči. Poslední velká změna se týká podavače, kde už nebude podávací rameno, ale mechanizmus, který bude košík mezi kotouče podávat ve vertikální poloze. K řízení tohoto stroje byl vybrán jednodeskový počítač Raspberry Pi, společně s výkonovou jednotkou, která vychází z jednotky MARS 8 od společnosti PIKRON. Dále jsem navrhl nové uživatelské rozhraní pro vyvíjený prototyp. Stroj je sice pořád ve fázi vývoje, ale přidáním možnosti řídit směr výstřelu se jeho využitelnost zvýšila a mohly být vytvořeny tréninkové plány, které odpovídají požadavkům na trénink středně zkušených hráčů.

37

Literatura [1] Black Knight - Knight Trainer Badminton shuttlecock birdie launcher shooter machine, badminton training machine. http://knighttrainer.com/index_1.php. [2] badminton training. http://www.badmintonmachine.com/home.

[3] Siboasi Shuttlecock Shooter Machine Series - Siboasi Sales - Tennis Ball Machines, Stringing Machine, Sport Machine. http://www.siboasi-sales.com/8-shuttlecock-shooter. [4] B&R: X20CP3586 . http: / / www . br-automation . com / cs / produkty / control-systems / x20-system / x20-cpus/x20cp3586/.

[5] Raspberry Pi - Teach, Learn, and Make with Raspberry Pi. https://www.raspberrypi.org/. [6] Wiki-Badminton. http://cs.wikipedia.org/wiki/Badminton.

[7] Bakalářská práce - Návrh a řízení stroje na badminton. http://support.dce.felk.cvut.cz/mediawiki/images/7/7f/Bp_2014_maslikiewicz_ondrej. pdf.

[8] Jenn Stroud Rossmann Chak Man Chan. Badminton shuttlecock aerodynamics: synthesizing experiment and theory. Sports Eng(2012) 15:61-71. DOI 10.1007/s1283-012-0086-7. [9] Baptiste Darbois Texier. Caroline Cohen, David Quéré, Christophe Claneta. Shuttlecock dynamics. Procedia Engineering 34 ( 2012 ) 176 – 181. [10] Caroline Cohen, Baptiste Darbois-Texier, Guillaume Dupeux, Eric Brunel, David Quéré a Christophe Clanet. The aerodynamic wall. 2013. [11] Badminton - pravidla, aktuality, recenze, haly — Badmintonweb.cz. http://www.badmintonweb.cz/. [12] Uživatelský manuál k jednotce MARS 8 . http://cmp.felk.cvut.cz/˜pisa/mars8/mars8_man_cz.html.

38

Příloha A Seznam zkratek PLC B&R RAM AP RPM MB SD USB GPIO HDMI CSI DSI UART I2C SPI FPGA CAN PC VNC

Programmable Logic Controller Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik Ges.m.b.H. Random acess memory Access point Revolutions per minute Mega Byte Secure Digital Universal Serial Bus General-purpose input/output High-Definition Multi-media Interface Camera Serial Interface Display Serial Interface Universal Asynchronous Receiver and Transmitter Inter-Integrated Circuit Serial Peripheral Interface Field Programmable Gate Array Controller Area Network Personal Computer Virtual Network Computing

39

Příloha B Obsah přiloženého CD /code /text

Celý projekt v AutomationStudiu Tato práce ve formátu PDF

40

Příloha C Program pro otestování výkonové jednotky #!/usr/bin/python import sys import serial import time class stroj(object): def __init__(self, rcon = None): self.rcon = rcon; def set_rcon(self, rcon): if self.rcon is not None: self.rcon.close(); self.rcon = None; self.rcon = rcon; def init_communication(self): s = self.rcon.read(1024) self.rcon.write("InvBuff\n") s = self.rcon.read(1024) self.rcon.write("ECHO:0\n") s = self.rcon.read(1024) self.rcon.write("VER?\n") s = self.rcon.read(1024) print(s); # Purge self.rcon.write("PURGE:\n") s = self.rcon.read(2000) print(s); def wait_ready(rcon): s = rcon.read(1024) rcon.write("R:\n") while 1: s = rcon.read(1024) if (s[0:2] == "R!"): break time.sleep(1) if __name__ == ’__main__’:

41

C Program pro otestování výkonové jednotky

..............................

opt_help = False tty_dev=’COM6’ r = stroj(); print("Opening %s ...\n" % tty_dev) ser = serial.Serial(tty_dev, baudrate=57600, bytesize=serial.EIGHTBITS, parity=serial.PARITY_NONE, stopbits=serial.STOPBITS_ONE, timeout=0.1) r.set_rcon(ser) r.init_communication() r.rcon.write(’RELEASEA:\n’) r.rcon.write(’PURGEA:\n’) r.rcon.write(’RELEASEB:\n’) r.rcon.write(’PURGEB:\n’) r.rcon.write(’REGOUTMAP:0,3,6\n’) r.rcon.write(’REGPTIRCA:1000\n’) r.rcon.write(’REGPTPERA:1\n’) r.rcon.write(’REGPTMARKA:1180\n’) r.rcon.write(’REGMODEA:6\n’) r.rcon.write(’PWMA:0\n’) r.rcon.write(’REGMODEA:6\n’) r.rcon.write(’PWMA:0\n’) r.rcon.write(’SPDA:1000\n’) r.rcon.write(’REGPTIRCB:1000\n’) r.rcon.write(’REGPTPERB:1\n’) r.rcon.write(’REGPTMARKB:1180\n’) r.rcon.write(’REGMODEB:6\n’) r.rcon.write(’PWMB:0\n’) r.rcon.write(’REGMODEB:6\n’) r.rcon.write(’PWMB:0\n’) r.rcon.write(’SPDB:-1000\n’) wait_ready(r.rcon)

42